Genetic and molecular basis of the diversity of nictation behavior in Caenorhabditis elegans

Abstract

Behavior is one of the most complex phenotypes of animals; numerous processes, from genetic programs to environments, regulate behaviors. Since the discovery of the laws of heredity and genetic material, how behavioral diversity arises from genetic variation has been one of the major questions in biology. In this study, I investigated the natural genetic variation underlying the diversity of the nictation behavior in the nematode Caenorhabditis elegans. Young C. elegans larvae grown under unfavorable conditions develop into dauer, an alternative developmental stage with many features for survival in harsh conditions. Dauer shows a stage-specific behavior, nictation, which helps its dispersal by promoting phoretic interaction. I performed nictation assays for 139 C. elegans wild strains worldwide and found differences in nictation fraction among them. Using genome-wide association mapping and subsequent genetic analyses, I demonstrated that nta-1, a gene encoding an ortholog of a human hydroxysteroid dehydrogenase, regulates the diversity of nictation among wild strains. Experiments using transgenic animals identified sequence variation in the promoter region induces this difference by regulating the expression of nta-1 in various tissues, especially in mesoderm-derived glial cells GLR. These findings provided a clear example of how sequence variation in the promoter region contributes to evolutionary novelty. Furthermore, the distribution of nta-1 alleles varied across geographic regions, and population genetic analysis showed that the diversity of nta-1 corresponds to ancient diversity in C. elegans populations that have been maintained by balancing selection. nta-1 affected both nictation and post-dauer reproduction speed, suggesting that pleiotropy of nta-1 on dispersal and reproduction influenced balancing selection of nta-1 alleles.

행동은 생물체에서 가장 복잡한 표현형 중 하나로, 유전자에서부터 환경에 이르기까지 수많은 요소가 행동 조절에 관여한다. 유전적인 차이가 어떻게 행동의 다양성에 관여할 수 있는지는 유전법칙과 유전물질이 발견된 이래로 생물학의 주요 질문 중 하나였다. 본 연구에서는 예쁜꼬마선충을 이용하여, 닉테이션 행동의 다양성의 근간이 되는 자연상의 유전변이를 발굴하고자 하였다. 예쁜꼬마선충 유충은 척박한 환경에서 자라면 생존에 유리한 여러 가지 특징을 가진 다우어라는 대체 발달단계로 접어든다. 다우어는 발생단계 특이적으로 닉테이션이라는 행동을 보이는데, 이는 다른 종과의 상호작용을 유도하며 다우어가 편승을 통해 다른 서식지로 분산할 수 있도록 촉진하는 행동이다. 본 연구에서는 전 세계에서 채집된 139가지 야생형 예쁜꼬마선충의 닉테이션을 측정하였고, 그 비율에 차이가 있음을 확인했다. 전장유전체 연관분석을 포함한 여러가지 분석기법을 사용하여, 인간의 하이드록시 스테로이드 탈수소효소의 상동체인 nta-1유전자의 변이가 야생형 간의 닉테이션 다양성을 조절한다는 것을 입증했다. 또한 형질 전환 동물을 활용하여 nta-1의 프로모터 영역의 변이가 다양한 조직, 특히 중배엽에서 유래한 교세포인 GLR 세포에서의 발현을 조절하여 닉테이션 다양성을 유도하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과들은 유전자의 코딩 영역의 서열 변화가 아닌 프로모터 영역의 서열 변이가 어떻게 진화적 신기성에 기여할 수 있는가를 보여주는 예시를 제공하였다. 나아가서 nta-1 은 지역에 따라 다른 대립유전자 분포 양상을 보였으며, 집단유전학적 분석 결과는 nta-1의 다양성이 균형 선택을 통해 유지되어 온 예쁜꼬마선충 집단의 고전적인 다양성에 해당함을 보였다. nta-1은 닉테이션 뿐만 아니라 다우어를 거친 이후의 생식 속도에 영향을 미쳤으며, 이는 분산과 생식에 대한 nta-1의 다면발현이 nta-1 대립유전자의 균형 선택에 영향을 미쳤음을 시사한다.